Stock, Christian (2019)
Neue Varianten nichtlinear optischer Mikroskopie mittels Frequenzverdreifachung.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

Die kohärente nichtlineare Mikroskopie (engl.: coherent nonlinear microscopy, CNM) hat in den vergangenen 20 Jahren eine Vielfalt von Anwendungen in Forschungsgebieten wie der Physik, der Biologie, der Chemie oder auch den Materialwissenschaften ermöglicht. Sie nutzt Prozesse zur Frequenzkonversion in fokussierten ultrakurzen Laserpulsen um dreidimensionale Bilder von vollständig transparenten Proben zu erzeugen, ohne sie durch Einfärben oder Markieren zu verändern. Ein Beispiel für solche Prozesse ist die Frequenzverdreifachung (engl.: third harmonic generation, THG). Sie ermöglicht die Untersuchung transparenter Proben jeglicher Symmetrie und benötigt nur die Laserstrahlung einer einzigen Wellenlänge zur Frequenzkonversion. Die Mikroskopie mittels Frequenzverdreifachung (engl. "`third harmonic generation microscopy"', THM) nutzt üblicherweise erzeugende Laserstrahlung in einem Spektralbereich fernab von Resonanzen der untersuchten Medien. Dies führt häufig dazu, dass die Konversionseffizienzen und der Kontrast limitiert sind. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden, basierend auf der Mikroskopie mittels Frequenzverdreifachung (engl. third harmonic generation microscopy, THM), neue Varianten entwickelt, deren Ziele die Erhöhung der Leistung der dritten Harmonischen (TH-Leistung) und die Verbesserung des Kontrastes in der Bildgebung sind. Darüber hinaus sollten die Proben möglichst wenig durch hohe Laser-Intensitäten und Absorption belastet werden. Die Arbeit gliedert sich in zwei Kapitel, in denen zwei aussichtsreiche neue Varianten der THM vorgestellt und untersucht werden. Im ersten Kapitel wurde das Konzept der "`Dispersions-optimierten Mikroskopie mittels Frequenzverdreifachung"' (DOTHM) vorgestellt und untersucht. Hierbei wird durch die Wahl der Fundamentalwellenlänge die Phasenanpassung variiert und damit die erzeugte TH-Leistung an einer Grenzfläche zwischen zwei Medien moduliert. Bei Experimenten im spektralen Bereich von 1010 nm bis 1340 nm an einer UK5 Glas-Wasser-Grenzfläche konnte eine Erhöhung der TH-Leistung um den Faktor 19 beobachtet werden, obwohl die Brechungsindizes dabei nur um weniger als 1 % variieren. An einer Quarzglas-Wasser-Grenzfläche brach die TH-Leistung im selben Spektralbereich auf 1/7 ein. Eine Simulation der TH-Leistung an einer Grenzfläche mit konstanten Suszeptibilitätsverhältnissen der beteiligten Medien führt zu Ergebnissen, welche sehr gut mit den Messergebnissen übereinstimmen. Sollte eine der Suszeptibilitäten sich im betrachteten spektralen Bereich signifikant ändern, muss dieses jedoch mit berücksichtigt werden. Die Erkenntnisse über das Verhalten der TH-Leistung an Grenzflächen der untersuchten Medien unter dem Einfluss der Dispersion wurden darauf in der Bildgebung genutzt. Dabei wurde der Kontrast einer TH-Mikroskopie Aufnahme von 1,2:1 auf 10:1 verbessert. Die Ergebnisse dieses Kapitels sind bis zur Fokussierung mit einer numerischen Apertur von maximal 0,4 gültig. Sie können beispielsweise bei der Suche des optimalen Lasersystems für ein neues Mikroskop oder bei der Wahl einer geeigneten Glassorte für einen Objektträger für größtmöglichen Kontrast helfen. Das Konzept der "`Optisch stimulierten Mikroskopie mittels Frequenzverdreifachung"' (OSTHM) wird im zweiten Kapitel vorgestellt und untersucht. Dabei wird zusätzlich zur Fundamentalen eine stimulierende Strahlung der dritten Harmonischen genutzt und beide im Fokus überlagert. Das Resultat ist eine Verstärkung oder Abschwächung der TH-Leistung, abhängig von der relativen Phase beider Felder zueinander. Die Modulation durch optische Stimulation ist besonders groß für kleine nichtlineare Suszeptibilitäten, eine große Phasenfehlanpassung, niedrige Fundamentalleistungen und hohe stimulierende TH-Leistungen. Während der Untersuchungen wurden Verstärkungen bis zu 3000 erreicht. Dabei war das Verhältnis von fundamentaler Leistung zu stimulierender Leistung mit 2000:1 weit entfernt vom Optimum bei 3:1. Dies zeigt, dass auch schon ein verhältnismäßig schwaches stimulierendes Feld eine große Verstärkung ermöglicht. Die Abhängigkeiten von den Leistungen der genutzten Strahlungen können durch ein einfaches Modell auf der Grundlage ebener Wellen vorhergesagt werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass die optische Stimulation im Falle schwacher Fokussierung und ultrakurzer Pulsdauer zu einer Verbesserung der longitudinalen Auflösung führt. Im konkreten Experiment wurde die gute zeitliche Auflösung der Laser-Pulse durch Dispersion in eine örtliche Auflösung transformiert, welche um eine Größenordnung besser ist, als die der THM ohne optische Stimulation. Während der Untersuchung des Einflusses der Dispersion auf die optische Stimulation wurde ein phasenunabhängiges Signal entdeckt, welches ebenfalls hohe Verstärkungen (100000) ermöglicht, aber bisher nur durch ein phänomenologisches Modell beschrieben werden kann. Das Konzept ist in der Lage die Konversionseffzienz in der THM um mehr als 3 Größenordnungen zu verstärken und damit sowohl den Kontrast zu verbessern, als auch die Belastung von sensitiven Medien niedriger nichtlinearer Suszeptibilität durch Absorption zu reduzieren. Die beiden in dieser Arbeit untersuchten Konzepte unterscheiden sich grundlegend. Während die DOTHM materialspezifisch THG verstärkt oder abschwächt, ist die Modulation durch OSTHM weitgehend materialunabhängig. Die OSTHM benötigt zwei fest-frequente Laserfelder, die in der Probe interferometrisch stabil überlagert werden müssen. In der DOTHM dagegen wird nur ein Laser benötigt. Der experimentelle Aufbau ist demnach wesentlich einfacher. Möchte man DOTHM jedoch flexibel einsetzen, ist eine Strahlquelle mit variabler Zentralwellenlänge vorteilhaft. Beide Konzepte zeigen jedoch Möglichkeiten die Dispersion zum Vorteil in der THM zu nutzen. Primär ermöglichen es beide Konzepte die Konversionseffizienz und den Kontrast besonders in Situationen mit schwachen Signalen um Größenordnungen zu verbessern.

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